【文章內容簡介】 果不采取有效措施控制溫室氣體排放，那么人類的發(fā)展將因此而受到極大影響。 我國 CO2的排放量僅次于美國，居全球第二。導致這種狀況的主要原因是我國能源資源的不均衡及消費結構的不合理，煤炭資源約占我國資源總量的 75%左右，煤炭消費占能源消費總量的 65%以上，而且以煤炭為主的能源消費結構短期內很難改變，加上我國的人口總數(shù)仍將繼續(xù)增長，因此能源消費和溫室氣體排放的增長不可避免，能源供應和能源環(huán)境問題仍將是制約我國經濟發(fā)展的突出問題之 一。 由于人口、資源和環(huán)境的限制，我國的經濟發(fā)展必須走低資源消耗、低能耗、低碳經濟的發(fā)展道路，把節(jié)能減排與可再生能源的發(fā)展結合起來，大力發(fā)展高效、節(jié)能、清潔技術，依靠科技創(chuàng)新走低碳經濟之路，大幅降低溫室氣體的排放，為我國經濟的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展提供保障 [5]。 作為發(fā)展中國家，我國在溫室氣體減排上付出了實際行動，成立了應對控制溫室氣體排放的相關機構，制定了節(jié)能減排、應對氣候變化的一系列政策。我們相信，只要全人類共同努力，減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變化的目標是可以實現(xiàn)的。 二氧化碳主要來源 CO2 被許 多人認為是溫室效應的元兇，是一種有害的廢氣，人為二氧化碳排放的主要來源是能源生產和交通運輸中的化石燃料燃燒。土地用途的改變和森林采伐也釋放更多 CO2到環(huán)境。 1. 發(fā)電：多數(shù)電廠使用的能源為化石燃料，使用化石燃料發(fā)電所排放的 CO2，約占全球排放量的 36%。 2. 運輸：運輸工具使用化石燃料所排放的 CO2約占全球排放量的 24%，以汽車為主要來源。 3. 工業(yè)：若不包括電力的使用，工業(yè)在全球 CO2排放量中約占 18%。未來，隨著開發(fā)中國家的經濟成長， CO2的排放量會大幅提升。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 4 4. 建筑物：建筑物使用電力和燃料來 產生冷暖氣、照明和動力，其中住宅CO2排放量約占全球的 8%。 5. 森林：根據聯(lián)合國糧農組織報告顯示，在 1980 年代砍伐掉的森林，所減少對大氣中 CO2的吸存能力，約占人為碳排放總量的四分之一。 6. 呼吸作用：動植物的呼吸作用都會產生 CO2。 其中，在所有排放 CO2的行業(yè)中，電力工業(yè)是排放量最多的行業(yè)之一。減少電力工業(yè) CO2排放對控制總排放量的減少具有特殊的重要意義。 二氧化碳的應用 CO2 是很好的資源，是植物進行光和作用的必須原料，在工業(yè)、農業(yè)、化工等領域有很廣泛的應用 [6]。 1. 為農業(yè)提供服 務 作為一種廉價的原料 CO2在農業(yè)上可用于蔬菜、瓜果的保鮮貯藏，在現(xiàn)代化倉庫里常充入 CO2，用 CO2貯藏的食品由于缺氧和 CO2本身的抑制作用， 可有效地防止食品中細菌、霉菌、蟲子生長，避免變質和有害健康的過氧化物產生，并能保鮮和維持食品原有的風味和營養(yǎng)成分， CO2不會造成谷物中藥物殘留和大氣污染。用 CO2通入大米倉庫 24h，能使 99%的蟲子死亡，延長了糧食和蔬菜的保存期。把 CO2引入蔬菜溫室直接施用 CO2作肥料，利用植物根部吸收 CO2，可以增進植物的光合作用，能增加蔬菜的生長速度，縮短其生長周期，促進農作物 生長，增加產量，提高溫室的經濟效益。固態(tài)的 CO2即 “ 干冰 ” ，主要用作致冷劑，用飛機在高空噴撒 “ 干冰 ” ，可以使空氣中水蒸氣冷凝，形成人工降雨，能解決久旱無雨，莊稼失收的問題。 2. 為工業(yè)服務 在輕工業(yè)上，生產碳酸飲料、啤酒、汽水等都需要 CO2。除此還可以用于有機合成各種化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生產甲醛、加氫合成二甲醚、或者利用環(huán)氧丙烷、 CO2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，現(xiàn)在又研究成功了許多新的工藝方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然氣、乙烯、丙烯等低級烴類， 合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、 丙酯及芳烴的烷基化，合成高分子單體及進行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用 CO2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的農藥作殺蟲劑，也在研究之中。 在工業(yè)上 CO2是很好的致冷劑。它不僅冷卻速度快，操作性能好，不浸濕產品， 不會造成二次污染，而且投資少，人力省。利用 CO2保護電弧焊接，既可避免金屬表面氧化，又提高焊接速度。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 5 3. 其他用途 （ 1） 用于醫(yī)療：人體呼吸的有效刺激因素，它通過對人體外化學感受器的刺激，興奮呼吸中摳。如果一個人長時間吸入純氧，體內 CO2濃度過低，可導致呼吸停止。因此，臨床上把 5% CO2與 95%氧氣的混合氣體應用于一氧化碳中毒、溺水、休克、堿中毒的治療和麻醉上的應用。 （ 2） 用于實驗室：在實驗室里， “ 干冰 ” 與乙醚等易揮發(fā)液體混合，可以提供 77176。C 左右的低溫?。煌瑫r國外普遍利用 CO2進行食品、飲料、油料、香料、藥物等加工萃取。 （ 3） 用于地下開采： CO2作為油田注入劑，可有效地驅油和提高石油的采油率；也可用于注入地下難于開采的煤層，使煤層氣化，獲得化工所需的合成氣體等。 因此如何吸收凈化 CO2以及對其進行綜合利用是現(xiàn)如今廣大環(huán)境科技工作者面臨的重要課題。 二氧化碳的吸收方法 CO2 的處理技 術一般分可為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類?，F(xiàn)階段，從大氣中分離固定 CO2技術主要有生物法，而從燃放氣中分離回收CO2技術主要有物理法、化學法和物理 化學法等。 物理法 物理法包括物理溶劑吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法和吸附法。 物理吸收法 采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作為吸收劑，利用 CO2在這些溶劑中的溶解度隨壓力而變化的原理來吸收的方法 [7]。 1. 水洗法應用最早，具有流程簡單、運行可靠、溶劑水廉價易得等優(yōu)點，但其設備龐大、電耗高、產品純度低并造成污染等特點，一般不采 用。 2. 低溫甲醇法應用較早，具有流程簡單、運行可靠外，能耗比水洗法低，產品純度較高，但是為獲得吸收操作所需低溫需設置制冷系統(tǒng)，設備材料需用低溫鋼材，因此裝置投資較高。 3. 碳酸丙烯酯法 （ 簡稱 PC法 ） 是近年來中小型氨廠常用脫碳和回收 CO2的方法。它具有溶液無毒、濃溶液對碳鋼腐蝕性小，能耗比甲醇法低等優(yōu)點，缺點是 PC 溶劑循環(huán)量大，造成溶劑損耗大，操作費用較高。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 6 典型的物理吸收法有環(huán)丁砜法、 N甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（ Selexol 法 ） 、低溫甲醇法 （ Rectisol 法 ） 、碳酸丙烯酯法 （ Flour 法 ） 等。其關鍵在于吸收劑的選擇，要求吸收劑必須對 CO2的溶解度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性以及性能穩(wěn)定 [8]。 1. 環(huán)丁砜法：由環(huán)丁砜一、二異丙醇胺水組成的溶液作為吸收劑，溶液的吸收壓力從稍高于大氣壓至 7MPa，凈化氣中 CO2含量可降低至 50mg/m3以下，可用于脫除變換氣中的 CO2。 2. N甲基吡咯烷酮法：用 N2甲基吡咯烷酮作為溶劑，吸收壓力一般為～ 7MPa，該法可選擇脫除硫化氫，用于從高壓天然氣或合成氣中除去大量 CO2。 3. Selexol 法：用聚乙烯乙二醇二甲酯 （ DEPG） 為吸 收劑，操作溫度為 261K。 4. Rectisol 法：以冷甲醇為吸收溶劑，操作溫度 211～ 272K，壓力 214～810MPa， 該工藝氣體凈化度高、選擇性好，氣體的脫硫和脫碳可在同一塔內分段、選擇性進行，被廣泛應用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然氣脫硫等氣體凈化裝置中。 5. Flour 法：用碳酸丙烯酯為吸收劑，吸收壓力一般在 以上，凈化氣中 CO2含量小于 1%，該法可同時脫除 H2S，可用于脫除天然氣及變換氣的 CO2。 以 Selexol 法為例， Selexol 法的溶劑由美國 Norton 公司開發(fā)， 一些商業(yè)應用的數(shù)據尚沒有公開，方法在化工行業(yè)已得到了多年的應用。所使用的吸收劑具有無毒、熱穩(wěn)定性好、不分解及無腐蝕性等特點，整體設備采用碳鋼設備，由于此吸收劑蒸汽壓極低，因此揮發(fā)損失少。此法之操作條件為吸收溫度 5～ 0176。C ，CO2 回收率可達 95%。其主要缺點是工藝流程龐大，而且吸收過程中吸收劑蒸汽壓較高，致使其溶劑損失較大。工藝流程如圖 11所示。 物理吸收法的優(yōu)點是吸收能力強，吸收劑用量少，吸收劑的再生不需要加熱，通過降壓即可實現(xiàn)，因此所需再生能量相當少，溶劑不起泡，不易腐蝕設備；但由于 CO2在溶劑中的溶 解服從亨利定律，因此這種方法只適用于 CO2分壓較高的條件，而且 CO2的去除程度不高，成本相對也較高。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 7 圖 11 Selexol法脫 CO2工藝流程 [9] 膜分離法 膜分離法是利用某些聚合材料制成的薄膜，對不同氣體的滲透率不同來分離氣體的。膜是一種起分子級分離過濾作用的介質，驅動力是壓差，當混合氣體與膜接觸，膜兩邊存在壓力時，滲透率高的氣體組分以很高的速率透過薄膜，形成滲透氣流， 滲透率低的氣體則被選擇性的攔截，絕大部分在薄膜進氣一側形成殘留氣流，兩股氣流分別引出，從而使混合氣體的不同組分 被分離，這種分離是分子級的分離。膜分離技術受到世界各技術先進國家的高度重視，近三十年來，美國、加拿大、日本和歐洲國家，一直把膜技術定位為高新技術，投入大量資金和人力，促進膜技術迅速發(fā)展 , 使用范圍日益擴大，為許多行業(yè)高質量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經濟、清潔生產提供依托技術 [8]。 膜分離法包括分離膜和吸收膜兩種類型。分離膜和吸收膜如圖 12所示。 圖 12 分離膜和吸收膜 [10] 使用薄膜法處理含大量 CO2廢氣時，無論使用哪類薄膜，除要對 CO2具有高CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 8 選擇性外， CO2透過率亦需越高越好，只 是排放氣中主要成分氮氣和 CO2的分子大小十分接近，高選擇性和高滲透率不易同時實現(xiàn)。工業(yè)上用于 CO2分離的膜材質主要有：醋酸纖維、乙基纖維素、聚苯醚及聚砜等，近年來一些性能優(yōu)異的新型膜材質正不斷涌現(xiàn)，如聚酰亞胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復合膜、含二胺的聚碳酸酯復合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表現(xiàn)出優(yōu)異的 CO2滲透性。 膜分離法 工藝流程如圖 13所示。 圖 13 膜分離法工藝流程 [11] 膜分離法工藝的特點：膜分離法具有一次性投資較少、設備緊湊、占地面積小、能耗低、工藝簡單操作方便等優(yōu)點，是應用前景 良好的 CO2氣體分離方法，但膜分離法的缺點是需要前級處理、脫水和過濾，且難以得到高純度的 CO2。 低溫蒸餾法 低溫蒸餾法利用天然 CO2氣源中主要組份甲烷和 CO2間沸點的差異， 以蒸餾方法將 CO2分離出來，主要應用于一些富含 60%～ 90% 的天然 CO2氣源中回收 CO2，供二次采油用。因此，此法具有一定的局限性 [7]。 低溫蒸餾法工藝流程圖如圖 14所示。 圖 14 低溫蒸餾法工藝流程 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 9 吸附法 吸附法是采用固體吸附劑吸附混合氣中的 CO2，其原理是根據 CO2 分子空間結構、分子極性等性質，選 取對混合氣體中 CO2組分有強于其他組分吸附力的吸附劑，由于混合氣體中各組分分子與吸附劑表面活性點的引力具有差異， 當混合氣體在一定壓力下通過吸附床所載的吸附劑時，吸附劑對 CO2進行選擇性吸收，進而實現(xiàn)對二氧化碳氣體的分離、回收 [6]。 吸附法主要包括變壓吸附法 （ PSA） 和變溫吸附法 （ TSA） 。 以變壓吸附法 （ PSA） 為例： 變壓吸附技術利用吸附劑對混合氣體中的不同組分具有不同吸附容量的特性， 在較高壓力下選擇吸附混合氣體中的 CO2，然后通過減壓的方式使 CO2解吸出來，從而實現(xiàn) CO2的分離與提純。 變壓吸附 法流程如圖 15 所示 。 圖 15 變壓吸附法流程圖 [11] 現(xiàn)階段，變壓吸附法發(fā)展較為迅速，大型工業(yè)化吸附裝置已投入使用，其CO2 分離效率可達 99%以上。在化肥、石化等工業(yè)中的應用極其廣泛。在國內，西南化工研究院技術力量雄厚，在變壓吸附研究、開發(fā)、設計、安裝方面，處于領先地位。 吸附法特點：吸附法原料適應性廣，無設備腐蝕和環(huán)境污染，工藝簡單，壓力適應范圍廣 （ ～ ） ，產品純度高，調節(jié)能力強，但解吸頻繁，需要大量吸附劑，對自動化程度要求高，更適用于 CO2濃度在 20%～ 80%的工業(yè)氣體，而且需要預處理煙氣中的水和顆粒物，以免吸附劑吸附效果降低。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設計及三維模擬 10 物理 化學法 目前，物理 化學法主要有 CO2 分解法。該法是借助高能射線或電子射線等放射線，對排出的含有大量 CO2的燃放氣進行輻射，使其中的 CO2分解為一氧化碳和氧氣，一氧化碳在經過高能輻射，轉而生成 C3O2 和 O2，其反應方程式為： 一次輻射： CO2 →CO + 1/2O 2； 二次輻射： 3CO →C 3O2+ 1/2O2 和 3CO2 →C 3O2 + 2O2。 這種方法，尚處于基礎研究階段，要實現(xiàn)工業(yè)化，還有大量技術問題需要解決。 化學法 化學法分離處理 CO2主要包括碳氫化合物轉化法及化學吸收法等。 1. 碳氫化合物轉化法 碳氫化合物轉化法 [11]：碳氫化合物轉化法是在催化劑作用下，將 CO2轉化為甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。 日本東北電力公